一種沿海城市不同行業(yè)污染物允許排海量的優(yōu)化計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種沿海城市不同行業(yè)污染物允許排海 量的優(yōu)化計(jì)算方法。 技術(shù)背景
[0002] 渤海是我國(guó)唯一的半封閉內(nèi)海，面積77,284km2,具有獨(dú)特的資源優(yōu)勢(shì)和地源優(yōu) 勢(shì)，是環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的重要支持系統(tǒng)。但是隨著沿海城市工業(yè)化、信息化、城市化進(jìn)程的不 斷加快，近岸海域水質(zhì)不斷惡化、赤潮災(zāi)害頻發(fā)、海洋生態(tài)系統(tǒng)失衡、漁業(yè)資源衰退等海洋 生態(tài)環(huán)境問(wèn)題也日趨嚴(yán)重。自20世紀(jì)70年代末，渤海海洋環(huán)境質(zhì)量總體上呈惡化趨勢(shì)，尤 其是在90年代中后期。根據(jù)多年的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)結(jié)果，渤海近岸海域的污染范圍呈擴(kuò)大趨 勢(shì)。1992年渤海遭受污染的面積約20%，而到了 1998年，渤海受污染的面積約40%。經(jīng)過(guò) 近幾年的治理，2006年，渤海未達(dá)到清潔海域水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的面積約2. 0萬(wàn)平方公里，占渤?？?面積的26%，共發(fā)生赤潮11次，累計(jì)發(fā)生面積達(dá)到2980平方公里。污染形勢(shì)依然嚴(yán)峻，污 染海域主要集中在遼東灣近岸、渤海灣和萊州灣等近岸海域，主要污染物為無(wú)機(jī)氮、活性磷 酸鹽和石油類等。工業(yè)廢水、生活污水、工業(yè)和生活垃圾、農(nóng)藥、化肥等陸源污染物大量超標(biāo) 超量排放入海成為當(dāng)前渤海環(huán)境狀況惡化未能得到遏制的根本原因。由于渤海海洋生態(tài)環(huán) 境問(wèn)題已成為環(huán)渤海地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大制約因素，自20世紀(jì)90年代后期，國(guó) 家環(huán)?？偩趾蛧?guó)家海洋局先后分別制定了《渤海碧海行動(dòng)計(jì)劃》和《渤海綜合整治規(guī)劃》，著 重開(kāi)展包括主要化學(xué)污染物排?？偭靠刂圃趦?nèi)的渤海海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量預(yù)防、控制和治 理等。
[0003] 當(dāng)前，在科學(xué)發(fā)展觀指導(dǎo)下，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好形社會(huì)，特別是促進(jìn)經(jīng)濟(jì) 發(fā)展與人口、資源、環(huán)境相協(xié)調(diào)已成為各地區(qū)實(shí)施"十一五"社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃所遵循的共 同原則。污染物排?？偭靠刂蒲芯坎粌H是我國(guó)海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)，海洋資源的可持續(xù)開(kāi)發(fā) 以及實(shí)現(xiàn)我國(guó)"十一五"社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家目標(biāo)所必需，同時(shí)也是"十一五"中國(guó) 海洋科學(xué)和環(huán)境科學(xué)基礎(chǔ)研究的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域（馮士笮和王輝，2001)。對(duì)于像環(huán)渤海這樣 經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的沿海地區(qū)，盡快科學(xué)合理地實(shí)施污染物排海總量控制就成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、環(huán) 境持續(xù)健康發(fā)展最重要的迫切舉措。同時(shí)，國(guó)家海洋局在本世紀(jì)初開(kāi)始在重點(diǎn)海灣及河口 實(shí)施碧海行動(dòng)計(jì)劃，迫切需要總量控制理論和計(jì)算方法的進(jìn)一步完善；而我國(guó)的污染物排 ?？偭靠刂蒲芯可性谘芯刻剿麟A段，難以滿足污染物排?？偭靠刂频膶?shí)際需求。
[0004] 而在研究方法和研究手段上，我國(guó)總量控制的數(shù)學(xué)模型日臻完善，系統(tǒng)工程方法 已得到普遍應(yīng)用，主要有系統(tǒng)模擬法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法、投入產(chǎn)出法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、大系統(tǒng)分解 法、多目標(biāo)規(guī)劃法、隨機(jī)規(guī)劃和模糊系統(tǒng)理論規(guī)劃法等等。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛用 于環(huán)境規(guī)劃中，各種環(huán)境管理信息系統(tǒng)（EMIS)和水資源規(guī)劃管理決策支持系統(tǒng)（DSS)及 地理信息系統(tǒng)（GIS)大量用于總量控制決策系統(tǒng)中。這些現(xiàn)代化手段和各種數(shù)學(xué)模型相結(jié) 合，為系統(tǒng)綜合的分析、評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)環(huán)境質(zhì)量的變化，客觀地掌握環(huán)境中污染物的迀移轉(zhuǎn)化 規(guī)律、確定總量控制的措施提供了有力的支持。
[0005] 因此，在渤海開(kāi)展總量控制研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義，并且對(duì)于中國(guó) 近海海域污染物排?？偭靠刂频膶?shí)施具有重要的參考意義。本項(xiàng)發(fā)明綜合了多目標(biāo)函數(shù)模 型與非線性規(guī)劃模型的優(yōu)點(diǎn)，將為沿海地區(qū)環(huán)保部門和海洋監(jiān)管部門制定強(qiáng)制性污染物 排?？偭肯鳒p方案，并為實(shí)現(xiàn)由目標(biāo)總量管理向容量總量管理轉(zhuǎn)軌提供科學(xué)依據(jù)；同時(shí)還 為有關(guān)部門制定區(qū)域經(jīng)濟(jì)規(guī)劃、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、合理配置工業(yè)布局等提供必要的理論依據(jù) 和技術(shù)支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的基于多目標(biāo)函數(shù)非線性規(guī)劃模型的污染物產(chǎn)業(yè)/行業(yè)允許排放容量計(jì) 算方法是基于公平性原則、經(jīng)濟(jì)效益原則、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境及資源利用可持續(xù)原則、以海定陸， 河海統(tǒng)籌原則、行政區(qū)劃分原則。排污負(fù)荷分配到源是污染物排放總量控制的最終目的，合 理地、公平的確定各個(gè)污染源的允許排放量也是陸源污染物排放總量控制的關(guān)鍵之一。目 前，確定各個(gè)污染源的允許排放容量有多種方法，但各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中，數(shù)學(xué)規(guī)劃方法是從 系統(tǒng)觀點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)污染源的空間格局和排放強(qiáng)度，以及污染治理的技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平，求出整 個(gè)優(yōu)化的具有環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益的排污負(fù)荷分配方案。
[0007] 本發(fā)明通過(guò)將污染物排放容量問(wèn)題看做一個(gè)數(shù)學(xué)優(yōu)化問(wèn)題，利用數(shù)學(xué)優(yōu)化方法計(jì) 算允許排放容量，一般以陸源污染物排放量最大（或削減總量最?。槟繕?biāo)函數(shù)，最大限度 的利用海洋的凈化能力，在保證海域環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo)的前提下，求出各陸源污染源（也可以 包括虛擬污染源）的整體優(yōu)化的允許排放量。
[0008] 如在一定約束條件下對(duì)一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行最小化，通常用下式表示：
[0010] 式中的fi，i = 1，2，···,m是一標(biāo)量目標(biāo)函數(shù)，該目標(biāo)函數(shù)將向量變量X影射到目 標(biāo)空間中。X為η維決策向量，受約束條件限制分布于可行域D中。在可行域的說(shuō)明中，包 含上述優(yōu)化問(wèn)題的約束條件。一般可行域由J個(gè)不等式約束條件或K個(gè)等式約束條件或二 者同時(shí)構(gòu)成，如下所示：
[0011] D = {x:g.j(x)彡 0, hk(x) = 0, j = 1，2,…，J，k = 1，2,…，Κ} (2)
[0012] 目標(biāo)函數(shù)和約束條件既可以是線性函數(shù)也可以是非線性函數(shù)，當(dāng)兩者至少有一個(gè) 非線性函數(shù)時(shí)，則稱之為非線性規(guī)劃。
[0013] 方法包括以下步驟：
[0014] 首先是目標(biāo)函數(shù)的設(shè)定，目標(biāo)函數(shù)模型應(yīng)在滿足經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)三者協(xié)調(diào)發(fā)展 的前提下將水環(huán)境容量分配至行政區(qū)域內(nèi)以及區(qū)域內(nèi)各行業(yè)，并計(jì)算出污染排放單元的最 大允許排放容量；經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP)和水環(huán)境治理費(fèi)用，環(huán)境指標(biāo)包括行 政區(qū)劃或行業(yè)廢水和污染物的排放數(shù)量以及排放水平；社會(huì)指標(biāo)主要是要滿足人口與環(huán)境 的協(xié)調(diào)發(fā)展；然后是約束條件的設(shè)定，約束條件應(yīng)基于經(jīng)濟(jì)效益原則、公平原則、最低生活 水平保障原則，并在滿足經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)三者協(xié)調(diào)發(fā)展的前提下將水環(huán)境容量分配至各 行政區(qū)劃或區(qū)域內(nèi)各行業(yè)，約束條件包括經(jīng)濟(jì)、環(huán)境保護(hù)、社會(huì)三方面進(jìn)行，其中經(jīng)濟(jì)方面 包括各城市地區(qū)生產(chǎn)總值、環(huán)境保護(hù)的投資費(fèi)用，環(huán)境方面包括各城市所在流域的分配容 量、污水及污染物排放數(shù)量和排放水平，而社會(huì)方面為人口的發(fā)展水平。
[0015] 所述的目標(biāo)函數(shù)設(shè)立是要求在環(huán)境與經(jīng)濟(jì)平衡發(fā)展的前提下，計(jì)算求出四大流域 各城市（單元）的污染物最大允許排放容量。目標(biāo)函數(shù)包括目標(biāo)海域（渤海）海洋環(huán)境容 量、各流域（單元）的分配容量以及環(huán)渤海13個(gè)城市（單元）的允許排放容量三個(gè)變量。
[0016] 所述的約束條件函數(shù)中的經(jīng)濟(jì)效益約束是依據(jù)經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)的原則；所述的約束 條件函數(shù)中的污染物排放強(qiáng)度約束是按照公平和效益的原則，根據(jù)城市污染物的現(xiàn)狀排放 量、一定國(guó)家海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下的流域分配容量以及污染物的排放水平來(lái)進(jìn)行污染物排放強(qiáng) 度的約束；所述的約束條件函數(shù)中的人口約束應(yīng)在各地區(qū)"十一五"規(guī)劃所規(guī)定的目標(biāo)范 圍內(nèi)；所述的約束條件函數(shù)中的環(huán)境投資約束應(yīng)根據(jù)現(xiàn)狀污染物排放強(qiáng)度，所在流域分配 容量，以及基準(zhǔn)年環(huán)境投資的比例確定；所述的約束條件函數(shù)中的非負(fù)約束條件是由于模 型在數(shù)學(xué)上可以得到允許排放容量的極大值，在現(xiàn)實(shí)情況中卻不可能出現(xiàn)。
[0017] -種沿海城市不同行業(yè)污染物允許排海量的優(yōu)化計(jì)算方法，對(duì)環(huán)渤海13城市主 要化學(xué)污染物排?？偭靠刂七M(jìn)行計(jì)算，整個(gè)渤海分為遼東灣、萊州灣、渤海灣和中央盆地四 個(gè)水域，大連，營(yíng)口，盤錦，錦州，萌蘆島，秦皇島，唐山，天津，滄州，濱州，東營(yíng)，濰坊，煙臺(tái)13 個(gè)城市按順序前1到5分給遼東灣，6到7分給萊州灣，8到10分給渤海灣，11到13分給中 央盆地；具體建模步驟如下：
[0018] (1)目標(biāo)函數(shù)模型建立：
[0024] i為污染物排放單元，以沿海城市分別作為污染物允許排放容量分配的單元；^為 沿海城市的污染物允許排放容量；
[0025] (2)約束條件函數(shù)模型建立
[0026] (2. 1)經(jīng)濟(jì)效益約束模型
[0027] 依據(jù)經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)的原則，各城市單元最大允許排放量的確定同時(shí)要保證經(jīng)濟(jì)的 持續(xù)增長(zhǎng)，因而上式中GDP要滿足一定的增長(zhǎng)，即：
[0028] ⑶Pt彡⑶P?！ぃ╨+rg)~t (4)
[0029] 式中⑶P。為i城市的基準(zhǔn)年地區(qū)生產(chǎn)總值，⑶P t為第t年的地區(qū)生產(chǎn)總值，本文 指規(guī)劃年的地區(qū)生產(chǎn)總值，單位均為IO4元/a。r g為⑶P年均增長(zhǎng)率，％;
[0030] (2. 2)污染物排放強(qiáng)度約束模型
[0031] 按照公平和效益的原則，根據(jù)城市污染物的現(xiàn)狀排放量、一定國(guó)家海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) 下的流域分配容量以及污染物的排放水平來(lái)進(jìn)行污染物排放強(qiáng)度的約束。若流域內(nèi)城市污 染物的現(xiàn)狀排放總量超過(guò)一定國(guó)家海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下的流域分配容量，則必須對(duì)污染物為排 放強(qiáng)度進(jìn)行約束。如果城市污染物排放強(qiáng)度，即萬(wàn)元產(chǎn)值排放強(qiáng)度小于環(huán)渤海地區(qū)萬(wàn)元產(chǎn) 值排放強(qiáng)度的平均值，則規(guī)劃年的污染物排放強(qiáng)度不能超過(guò)其基準(zhǔn)年的排放水平；如果城 市萬(wàn)元產(chǎn)值排放強(qiáng)度大于環(huán)渤海地區(qū)的平均值，則規(guī)劃年的污染物排放強(qiáng)度不能超過(guò)環(huán)渤 海地區(qū)基準(zhǔn)年的平均排放水平，以促進(jìn)各城市污染技術(shù)處理水平的提高。即：
[0034] α 1(]、％為基準(zhǔn)年i城市的萬(wàn)元產(chǎn)值排放強(qiáng)度和環(huán)渤海地區(qū)萬(wàn)元產(chǎn)值排放強(qiáng)度的 平均值，單位均為t/?ο 4元。
[0035] 假設(shè)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)與污染物的排放存在一定的關(guān)系：
[0036] Q1=X1Z^DP1 (6)
[0037] 式中i城市的污染物允許排放容量，單位為10 4t/a ;GDP$ i城市的地區(qū)生 產(chǎn)總值，IO4元/a ; α為i城市的污染物萬(wàn)元產(chǎn)值排放強(qiáng)度，單位為t/10 4元。通常情況下， 隨著各經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的發(fā)展，萬(wàn)元產(chǎn)值排放強(qiáng)度α也會(huì)發(fā)生變化。
[0038] (2. 3)人口約束模型
[0039] 污染物允許排放容量分配要保障人口數(shù)量增長(zhǎng)的需要，而人口數(shù)量的增長(zhǎng)，不能 超過(guò)各地區(qū)"十一五"規(guī)劃所規(guī)定的目標(biāo)。
[0040] Pt^ P0 · (l+rp)'t (7)
[0041] P。為i城市的基準(zhǔn)年常住人□數(shù)量，P t為規(guī)劃年的人□數(shù)量，單位均為10 4人/a。 rp為人口機(jī)械增長(zhǎng)率，％。；同時(shí)人口與生活污水中污染物的排放存在定量關(guān)系：
[0042] Pi=Whi7^Pi (8)
[0043] 式中：β $ i城市的人均污染物排放強(qiáng)度，Kg/人;W Hl為生活污水中污染物的排 放量，l〇4t/a，P1為人□數(shù)量，10 4人/a。
[0044] (2. 4)環(huán)境投資約束模型
[0045] R10^ R1^ R1' (9)
[0046] 式中民為i城市環(huán)境治理投資占地區(qū)生產(chǎn)總值的比例，R1。為基準(zhǔn)年環(huán)境治理投資 占地區(qū)生產(chǎn)總值的比例，R 1'為最大環(huán)境治理投資比例，單位均為％。R1'則根據(jù)現(xiàn)狀污染物 排放強(qiáng)度，所在流域分配容量，以及基準(zhǔn)年環(huán)境投資